为此先后开凿了三段河道，把原来以洛阳为中心的隋代横向运河，修筑成以大都为中心，南下直达杭州的纵向大运河，元朝花了10年时间，先后开挖了“济州河”和“会通河”，把天津至江苏清江之间的天然河道和湖泊连接起来，清江以南接邗沟和江南运河，直达杭州。而BJ与天津之间，原有运河已废，又新修“通惠河”。这样，新的京杭大运河比绕道洛阳的隋唐大运河缩短了九百多公里。
元代开凿的重点段一是山东境内泗水至卫河段，一是大都至通州段。至元（元世祖忽必烈年号）十八年（公元1281年）开济州河，从任城（JN市）至须城（东平县）安山，长75公里；至元二十六年（1289年）开会通河，从安山西南开渠。由寿张西北至临清，长125公里；至元二十九年（1292年）开通惠河，引京西昌平诸水入大都城，东出至通州入白河，长25公里。至元三十年（1293）元代大运河全线通航，漕船可由杭州直达大都，成为今京杭运河的前身。
京杭大运河按地理位置分为七段：BJ到TZ区称通惠河，自昌平县白浮村神山泉经瓮山泊（今昆明湖）至积水潭、中南海，自文明门（今崇文门）外向东，在朝阳区杨闸村向东南折，至通州高丽庄（今张家湾村）入潞河（今北运河故道），长82公里；TZ区到天津称北运河，长186公里；天津到临清称南运河，长400公里；临清到台儿庄称鲁运河，长约500公里；邳州到淮安称中运河，长186公里；淮安到瓜洲称里运河，长约180公里；镇江到杭州称江南运河，长约330公里。
明、清两代维持元运河的基础，明时重新疏浚元末已淤废的山东境内河段，从明中叶到清前期，在山东微山湖的夏镇（今微山县）至清江浦（今HA市）间，进行了黄运分离的开泇口运河、通济新河、中河等运河工程，并在江淮之间开挖月河，进行了湖漕分离的工程。京杭大运河作为南北的交通大动脉，历史上曾起过巨大作用。运河的通航，促进了沿岸城市的迅速发展。
通州古诗云：一支塔影认通州。燃灯塔矗立在大运河的北端，是京门通州的标志性建筑。天津北运河和南运河在天津会师，又在这里被海河一齐送入渤海。
据记载，漕运发达时期，从天津到通州的北运河上每年要承载2万艘运粮的漕船，官兵12万人次，连同商船共3万艘。水道的开通使小小的直沽寨很快发展成了远近闻名的“天津卫”。镇江、扬州长江和京杭大运河的交汇处。聊城湖、河水面积占城区的三分之一，被称为“中国北方威尼斯”，在北方城市里非常少见，这其中就有京杭大运河的功劳。
苏州“苏湖熟，天下足”。运河的开通，使苏州水多粮丰。现有京杭大运河苏杭段客运航线往返。淮安大运河的入淮口，运河东岸古镇码头下便是《西游记》的作者吴承恩的故居。
近现代变化
1842年，英军在鸦片战争中决胜的一战，就是夺取京杭大运河与长江交汇处的镇江，封锁漕运，使道光皇帝迅速作出求和的决定，不久签订了《中英南京条约》。
1853年后，太平天国占据南京和安徽沿江一带十多年，运河漕运被迫中断。战争极其惨烈，期间沿线主要城市都遭受重创，部分甚至全部焚毁。
1855年黄河改道后，运河山东段逐渐淤废。从此漕运主要改经海路。
1872年，轮船招商局在上海成立，正式用轮船承运漕粮。
1904年，漕运总督也被撤废。
1911年，津浦铁路全线通车。从此京杭大运河以及沿线城市的地位一落千丈。
解放后对运河进行了大规模整修，使其重新发挥航运、灌溉、防洪和排涝的多种作用，部分河段已进行拓宽加深，截弯取直，新建了许多现代化码头和船闸，航运条件有所改善。季节性的通航里程已达1100多千米。江苏邳县以南的660多千米航道，500吨的船队可以畅通无阻。
1988年底建成的京杭运河和钱塘江沟通工程已将江、河、海衔接起来。
2002年，原本只负责通航的京杭大运河被纳入了“南水北调”三线工程之一，成为中国南水北调东线工程的重要环节和通道，通过它长江下游的水得以送到北部缺水的山东和河北等地。
在XZ市京杭大运河上设有张楼水站。
2014年9月，通州、武清、香河三地水务部门已签订战略合作协议，京杭大运河通州—香河—武清段有望实现复航，计划于2017年实现初步通航，2020年正式通航。
2019年2月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《大运河文化保护传承利用规划纲要》（以下简称《规划纲要》），并发出通知，要求各地区各部门结合实际认真贯彻落实。10月3日，京杭大运河（通州城市段）旅游通航仪式举行，北关闸至甘棠闸段11.4公里正式通航。
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